光源原理與設(shè)計(jì)

光源原理與設(shè)計(jì)第一頁，共三十八頁，2022年，8月28日光源原理與設(shè)計(jì)—白熾燈諸定昌白熾燈主要特性：使用方便，外型多樣，價(jià)格低廉η=8~15lm/wH=1*103小時(shí)燈絲色溫Tc=2700~2900K(燈光黃）Ra≈100第二頁，共三十八頁，2022年，8月28日光源原理與設(shè)計(jì)—白熾燈諸定昌2.1熱輻射的性質(zhì)第三頁，共三十八頁，2022年，8月28日光源原理與設(shè)計(jì)—白熾燈諸定昌一、熱輻射的定義（溫度輻射）因溫度而產(chǎn)生的輻射TE（thermalEquilibrium)熱力學(xué)平衡狀態(tài)LTE（localthermalEquilibrium)局部熱力學(xué)平衡狀態(tài)第四頁，共三十八頁，2022年，8月28日光源原理與設(shè)計(jì)—白熾燈諸定昌二、基爾霍夫定律（KirchholfLaw)1.光輻射出度Me(T)Me(T)=Pe(T)/S單位（W/m2)Pe——單位時(shí)間輻射的能量。2.光譜輻射出度Mλ（λ,T)Mλ（λ,T)=dMe(T)/dλ=dPe(T)/Sdλ第五頁，共三十八頁，2022年，8月28日光源原理與設(shè)計(jì)—白熾燈諸定昌3.光譜的吸收率α(λ,T)α(λ,T)=dPe’(λ,T)=/dPe(λ,T)4.KirchholfLaw第六頁，共三十八頁，2022年，8月28日光源原理與設(shè)計(jì)—白熾燈諸定昌三、黑體輻射的基本性質(zhì)1.黑體的定義：黑體就是能夠在任何溫度下將輻射到它表面上的任何波長的能量全部吸收。

αB（λ,T)≡1第七頁，共三十八頁，2022年，8月28日光源原理與設(shè)計(jì)—白熾燈諸定昌2.普朗克公式MλB(λ,T)=C1λ-5[exp(C2/λT)-1]-1

其中C1=2πhc2=3.74*10-16(W·m2)C2=hc/kB=1.44*10-2(m·K)當(dāng)λ不是很大，T不是很高時(shí)

MλB(λ,T)=C1λ-5e-C2/λT討論：1）T↑——→MλB↑2）T↑——→λmax(峰值波長)向短波方向移動(dòng)

3）T低時(shí)——→紅外為主隨T上升，可見光部分增加第八頁，共三十八頁，2022年，8月28日光源原理與設(shè)計(jì)—白熾燈諸定昌3．斯忒藩——玻爾茲曼定律

MeB(T)=∫0∞MλB(λ,T)dλ=σSBT4σSB=5.67*10-8W/(m2·K4)4．維恩位移定律

λm·T=b=2.89779*10-3(m·K)第九頁，共三十八頁，2022年，8月28日光源原理與設(shè)計(jì)—白熾燈諸定昌四、實(shí)際表面的輻射實(shí)際上，所有的輻射體都不是黑體，它們的光譜輻射出度Mλ(λ,T)總是比黑體的MλB(λ,T)小。定義光譜發(fā)射率：

ε(λ,T)=Mλ(λ,T)/MλB(λ,T)＜1第十頁，共三十八頁，2022年，8月28日光源原理與設(shè)計(jì)—白熾燈諸定昌2.2白熾燈的結(jié)構(gòu)與材料第十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日光源原理與設(shè)計(jì)—白熾燈諸定昌一、結(jié)構(gòu)二、對白熾輻射體（燈絲）的要求1.熔點(diǎn)高2.蒸發(fā)率V小

影響V的因素

Tf自身的蒸汽化環(huán)境氣氛燈絲的結(jié)構(gòu)3.可見輻射選擇性好4.機(jī)械強(qiáng)度高，易加工5.有適當(dāng)?shù)碾娮杪嗜㈡u的主要性質(zhì)第十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日光源原理與設(shè)計(jì)—白熾燈諸定昌2.3真空白熾燈中的基本物理現(xiàn)象第十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日光源原理與設(shè)計(jì)—白熾燈諸定昌一、真空白熾燈的光效Pin(輸入)=Pr（輻射）+Pc（熱損耗）

實(shí)際中Pc≈（3~8）%Pin第十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日光源原理與設(shè)計(jì)—白熾燈諸定昌1.理想直鎢絲燈的光效Pc=0光效η0=Km∫∞MλB(λ,T)ε(λ,T)V(λ)dλ/∫∞MλB(λ,T)ε(λ,T)dλ2.實(shí)際燈絲的光效螺旋型燈絲因“遮擋”效應(yīng)使η下降。η=η0/δ，（遮擋因子）δ，=1.12~1.15第十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日光源原理與設(shè)計(jì)—白熾燈諸定昌二、真空白熾燈中鎢的蒸發(fā)和壽命1.真空中的鎢的蒸發(fā)率Vap單位時(shí)間撞擊單位鎢表面的原子數(shù)：N1=1/4nV=n√(kT/2πm)單位時(shí)間單位表面沉積的鎢質(zhì)量為：Vap=α0N1m=α0n√(kTm/2π)=0.06α0P/T0.5第十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日光源原理與設(shè)計(jì)—白熾燈諸定昌2.蒸發(fā)率與燈壽命的關(guān)系溫度T（K）Vap（g/cm2*s）H(hr)Vap*H22002.24*10-12

7.2*1045.8*10-424001.38*10-101.14*103

5.5*10-426004.17*10-9

3.86*1015.8*10-4

30001.05*10-60.155.7*10-4可以看出

Vap*H=const實(shí)驗(yàn)：d=0.1m/m在不同Tf下的Vap第十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日光源原理與設(shè)計(jì)—白熾燈諸定昌a)燈絲質(zhì)量損耗臨界百分比G直G直=H內(nèi)蒸發(fā)的質(zhì)量/燈絲原有總質(zhì)量=4VapH/ρdfG直∝1/dfdf燈絲直徑b)螺旋燈絲的損耗臨界百分比G螺G螺≈（50~60）%G直第十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日光源原理與設(shè)計(jì)—白熾燈諸定昌三、總結(jié)基本矛盾

T↑——→η↑（Me∝T4）

T↑——→Vap↑——→H↓

∴Tf=2300~2600KH=1*103hrsη=8~10lm/W第十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日光源原理與設(shè)計(jì)—白熾燈諸定昌2.4充氣白熾燈中的基本物理現(xiàn)象第二十頁，共三十八頁，2022年，8月28日光源原理與設(shè)計(jì)—白熾燈諸定昌一、氣體穩(wěn)定層在熾熱的燈絲附近，氣體變得非常粘滯，幾乎可以看成是不流動(dòng)的；而在泡壁附近的區(qū)域里，由于氣體溫度較低、粘滯度小，氣體強(qiáng)烈對流。

因此，可以認(rèn)為，緊貼燈絲周圍存在著一層厚度的穩(wěn)定氣體層，直徑為b。第二十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日光源原理與設(shè)計(jì)—白熾燈諸定昌二、充氣對抑制鎢蒸發(fā)的作用

在充氣燈中鎢的損失主要是由于在穩(wěn)定層內(nèi)鎢的濃度擴(kuò)散。N1為1m長的燈絲表面在一秒種內(nèi)擴(kuò)散出去的鎢原子數(shù)。第二十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日光源原理與設(shè)計(jì)—白熾燈諸定昌三、充氣的熱損失單位長度燈絲損失功率：Pc`=-2πrλ(dT/dr)

整個(gè)燈絲損失功率：Pc=Pc`lflf燈絲的長度

討論：影響Pc的因素

1）充氣氣體的種類2）充氣壓力3）lf4）df第二十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日光源原理與設(shè)計(jì)—白熾燈諸定昌對于充氬—氮混合氣的白熾燈，每厘米長度燈絲的氣體熱損失Pc`約為4W。對于電壓為220V的燈泡，螺絲長度必須大于2cm，否則兩根導(dǎo)絲之間有放電的危險(xiǎn)。因此，充氣燈泡的最小熱損失值為8W左右。顯然，對220V小功率白熾燈不宜充氣，25W以下的白熾燈只能是真空，否則熱損失占輸入的主要部分，得不償失。第二十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日光源原理與設(shè)計(jì)—白熾燈諸定昌四、本節(jié)結(jié)論1．充氣可抑制蒸發(fā)2．充氣引起熱損耗3．充入分子量大的氣體可更好抑制蒸發(fā)和減小熱耗。4．采用螺旋燈絲可使Pc下降5．采用螺旋燈絲可增加壽命（機(jī)械強(qiáng)度增大了）第二十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日光源原理與設(shè)計(jì)—白熾燈諸定昌2.5白熾燈燈絲的設(shè)計(jì)第二十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日光源原理與設(shè)計(jì)—白熾燈諸定昌一、統(tǒng)一公式1.燈絲參數(shù)a)直線型燈絲①直徑d②長度l

b)單螺旋燈絲

①直徑d②長度l③螺距系數(shù)Ks=S/d④芯絲系數(shù)Kc=dc/d

c)雙螺旋燈絲①直徑d②長度l③第一螺距系數(shù)Ks1=S1/d④第一芯絲系數(shù)Kc1=dc1/d⑤第二螺距系數(shù)Ks2=S2/(2d+dc1)⑥第二芯絲系數(shù)Kc2=dc2/(2d+dc1)d)Ks和Kc的合理選取第二十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日光源原理與設(shè)計(jì)—白熾燈諸定昌2．燈絲的計(jì)算能量平衡方程Pl=Pr+Pc+Ph白熾燈鎢絲直徑和長度的統(tǒng)一公式第二十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日光源原理與設(shè)計(jì)—白熾燈諸定昌二、經(jīng)驗(yàn)公式鎢絲份量Q200=π/4*d2*200*ρ

d=k√Q200(mm)

三、外推公式修正燈泡的一些參數(shù)四、誤差百分比計(jì)算公式五、設(shè)計(jì)中注意的問題第二十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日光源原理與設(shè)計(jì)—白熾燈諸定昌2.6白熾燈的運(yùn)用特性白熾燈的光效雖然比較低，但由于它使用極其方便，輻射光譜是連續(xù)的，顯色性好，因此到目前為止仍是應(yīng)用最廣的一種光源。第三十頁，共三十八頁，2022年，8月28日光源原理與設(shè)計(jì)—白熾燈諸定昌一、運(yùn)用參量1．高色溫白熾燈——主要用與攝影和放映電影以及電視和舞臺(tái)照明。

Tc≥3200Kη=30H=50~100hrs2．普通照明燈——一般照明η=10~20Tc=2600~3000KH≥1*103hrs

3．紅外線燈——用于紅外加熱干燥、溫室保溫和醫(yī)療保健等。

η≤10Tc≤2500KH≥1*103hrs第三十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日光源原理與設(shè)計(jì)—白熾燈諸定昌二、白熾燈的指數(shù)特性H——壽命F——光通量η——光效V——燈電壓I——電流P——功率R——電阻第三十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日光源原理與設(shè)計(jì)—白熾燈諸定昌三、指數(shù)特性的應(yīng)用例1：H的加速試驗(yàn)d(充氣泡)=13.1電壓提高10%H1/H2=（242/220）13.1=3.48例2：內(nèi)在質(zhì)量因數(shù)qa

b=7所以定義第三十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日光源原理與設(shè)計(jì)—白熾燈諸定昌2.7白熾燈的發(fā)展方向第三十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日光源原理與設(shè)計(jì)—白熾燈諸定昌一、探索新的燈絲材料——更高的熔點(diǎn)，有更好的輻射選擇性二、改善燈絲材料的結(jié)構(gòu)，以及使周圍的介質(zhì)環(huán)境更理想化！1．小型化

2．反射型

3．涂紅外反射層第三十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日IRCtechnologyThinfilmmultilayercoatings(Filter)StackConstructionWavelengthHighrefractive

indexLowrefractive

indexSubstrate

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